鋼板混凝土井壁結構受力變形監測應用研究

洪士保

中煤新集能源股份有限公司板集煤礦 安徽亳州 236700

板集煤礦副井井筒于2009年4月18日發生突水事故，在治水專家組的指導下，開展了為期多年的井筒治水與修復工作，治理工作進展順利并取得成功，2017年8月17日順利通過井筒安全性評價專家論證。由于井筒穿過巨厚松散層，水文與工程地質條件復雜，在恢復礦井建設和后期開采過程中，將引發地下水和地層的變化，可能改變井筒的受力狀態；再者，井筒擔負著礦井的通風、提升任務，是礦井的“咽喉”，事關煤礦安全運行和高效生產。因此，需要對井筒受力變形進行長期有效的監測和研究。省內部分高校長期對高強混凝土井壁或馬頭門上下口井壁的變形進行了監測研究，但針對鋼板井壁變形的監測研究較少，因此，主井鋼板井壁受力變形的監測研究施工難度大、創新性強，研究結果對礦井安全生產具有指導意義。

1 監測方案

根據主井井筒檢查孔地質柱狀圖和井壁結構圖，確定在主井內層井壁共布置3個監測水平，如表1所示。

表1 主井監測水平設置及土性表

主井3個監測水平都安設鋼弦式傳感器監測系統，每個水平在內層井壁外表面等間距布置4個測試點。每個測點沿豎向和環向各布置鋼弦式表面應變計各1個，分別監測井壁混凝土的豎向應變和環向應變，每個水平合計布置鋼弦式表面應變計8個，內層井壁上合計布置鋼弦式表面應變計24個。通過主信號電纜與鋼弦式頻率測試儀相連，實時測試主井鋼板井壁的受力和變形狀態[1]。

2 主井井壁安全預警值計算

以第一水平累深420m處井壁為例進行計算，原預制鋼板混凝土井壁外壁承受水土側壓力：P=0．013×420=5．46MPa；原預制鋼板混凝土井壁的外層和內層是鋼板，中間層是混凝土。外層鋼板厚度為10mm，中間層鋼筋混凝土厚度為824mm，內層鋼板厚度為16mm，混凝土強度為等級為C60。在原有鋼板混凝土井壁中套上鋼板混凝土井壁，此鋼板混凝土井壁共有兩層井壁，外層高強混凝土的厚度為580mm，混凝土強度等級為C80，內層鋼板厚度為20mm。

表2 井壁混凝土的力學參數

鋼板材料為Q345，彈性模量E1=2．06×105N/mm2，泊松比根據組合筒設計方法進行計算。

如圖所示，從內到外的半徑表示為r1-r6，層數為第1層至第5層；r6=3．95m，r5=3．94m；最外層為薄壁圓筒，則內層的徑向位移為

其中r5—該層井壁的平均半徑，h—井壁厚度，P—井壁外層水、土側壓力；P54—第5層井壁和第4層井壁之間的壓力。

第四層井壁為厚壁圓筒，r4=其內、外側徑向位移分別為

第三層井壁為薄壁圓筒，其徑向位移變位為：

第二層井壁為厚壁圓筒，其內、外徑向位移變位為：

最內層井壁為薄壁圓筒，其徑向：

根據相鄰兩層井壁之間接觸面的變形協調條件可得

解得

將已知數值代入式（11）得內層和第二層之間的壓力值P21=0．122×5．46=0．666MP

對于最內側鋼板：

豎向自重應力：

內壁內緣環向應變：

內壁內緣豎向應變：內側鋼板的材料為Q345，抗拉抗壓強度設計值為295Mpa，鋼板的極限壓應變為：

考慮荷載分項系數1．35、 1．2和1時，得到不同的井壁環向和豎向富余壓應變，如表3所示。鋼板的極限拉壓應變是一樣的。考慮0．6、0．8和1倍極限拉應變時，得到井壁環向和豎向富余拉應變如表3所示。

表3 井壁鋼板變形預警值設置

3 主井井壁變形監測結果

主井井壁鋼弦式鋼板表面應變傳感器安裝測試80天后，三個水平的鋼板變形監測數據如圖2-圖7所示

4 結語

板集煤礦在恢復建設和后期開采過程中，地下水和地層的變化將改變井筒的受力狀態，因此開展了主井筒井壁監測技術研究，得到結論如下：（1）建立了鋼弦式鋼板井壁變形監測系統，可以實時、準確、全面反映井筒的受力變形；（2）根據主井井壁的受力狀態，通過組合筒理論，考慮不同的荷載分項系數，給出了主井鋼板內層井壁的黃色、橙色和紅色變形預警值；（3）井壁監測元件安裝80天后，鋼板內層井壁表面變形較小，變形處于預警值范圍之內，后期需要及時、準確的實時跟蹤井筒的安全狀態[3]。